Chế Tạo và Nghiên Cứu Tính Chất Quang của Nano Tinh Thể CdSe/CdS Dạng Cầu và Tetrapod

Các nano tinh thể (NC) bán dẫn, đặc biệt là nano tinh thể CdSe/CdS, đang thu hút sự quan tâm lớn trong nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ. Điều này xuất phát từ những tính chất quang đặc biệt của chúng, hình thành do hiệu ứng giam giữ lượng tử của các hạt tải điện (điện tử và lỗ trống) trong không gian hạn chế. Nhờ vậy, có thể tạo ra các vật liệu quang ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như linh kiện quang điện (điốt phát quang, laser), máy ghi huỳnh quang, bộ nhớ dữ liệu quang và đánh dấu sinh học. Công nghệ chế tạo NC đang dần chuyển từ các đối tượng đơn giản sang các cấu trúc nano phức tạp hơn, với kích thước, hình dạng và thành phần vật liệu được thiết kế trước. Hợp chất của CdSe và CdS được sử dụng rộng rãi trong công nghệ chế tạo cấu trúc nano dị chất có hình dạng như cầu hay tetrapod (TP).

1.1. Giới Thiệu Chung về Nano Tinh Thể Bán Dẫn

1.2. Ứng Dụng Tiềm Năng của Nano Tinh Thể CdSe CdS

Một trong những vấn đề quan trọng để chế tạo vật liệu nano là đảm bảo sự cân bằng của hai giai đoạn rất khác nhau: giai đoạn tạo mầm và giai đoạn phát triển của NC. Điều kiện tối ưu cho sự tạo mầm các hạt tinh thể trong dung dịch đồng nhất phải phù hợp với kích thước và hình dạng của NC định chế tạo. Hơn nữa, cấu trúc tinh thể của các mầm có thể không ổn định và sự chuyển pha tinh thể có khả năng xảy ra trong quá trình phát triển của NC. Ví dụ, chế tạo NC CdSe/CdS dạng TP dựa trên sự cân bằng ổn định của các pha zincblend (ZB) và wurzite (WZ) của mầm CdSe ban đầu. Nếu quá trình tạo mầm xảy ra trên cả mầm CdSe cấu trúc ZB và WZ, nó sẽ tạo ra các NC CdSe/CdS có dạng TP và thanh tương ứng. Nói chung, rất khó cân bằng tất cả các quá trình này trong quá trình phản ứng và do đó hình dạng của NC phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện chế tạo.

2.1. Kiểm Soát Kích Thước và Hình Dạng Nano Tinh Thể

2.2. Ổn Định Cấu Trúc Tinh Thể trong Quá Trình Tổng Hợp

Luận văn này tập trung vào việc chế tạo các NC CdSe/CdS dạng cầu và tetrapod bằng phương pháp hóa ướt trong dung môi không liên kết octadecene. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của NC thông qua điều chỉnh các thông số phản ứng. Cụ thể, quy trình hai giai đoạn và một giai đoạn được sử dụng để tạo ra các cấu trúc nano mong muốn. Hình dạng, kích thước, cấu trúc tinh thể và đặc trưng quang phổ của các mẫu được khảo sát bằng các phương pháp như hiển vi điện tử truyền qua (TEM), nhiễu xạ tia X (XRD), hấp thụ quang, quang huỳnh quang (PL). Tính chất quang của các mẫu NC CdSe/CdS được nghiên cứu dựa trên số liệu đo phổ hấp thụ và PL. Các kết quả thực nghiệm được thảo luận trong mối liên quan với điều kiện chế tạo và được so sánh với kết quả công bố của các tác giả khác để rút ra các thông tin khoa học cần thiết.

3.1. Kỹ Thuật Hóa Ướt trong Dung Môi Octadecene ODE

3.2. Quy Trình Hai Giai Đoạn và Một Giai Đoạn trong Chế Tạo

3.3. Các Phương Pháp Phân Tích Đặc Trưng Vật Liệu

Cấu trúc vùng năng lượng chi phối tính chất quang của NC, thể hiện qua sự phân bố của các hạt tải trong các miền không gian khác nhau. Do sự chênh lệch năng lượng giữa hai đáy vùng dẫn và sự chênh lệch giữa hai đỉnh vùng hóa trị của bán dẫn khối CdSe và CdS tương ứng là 0,3 eV và 0,5 eV nên cấu trúc nano dị chất này có thể là loại I hoặc giả loại I, và chúng phụ thuộc vào sự thay đổi đường kính của lõi và vỏ, hay ứng suất tạo ra tại bề mặt tiếp giáp giữa lõi/vỏ. Sự thay đổi cấu trúc vùng năng lượng dẫn đến sự phân bố hàm sóng của điện tử và lỗ trống thể hiện khác nhau. Đối với cấu trúc vùng năng lượng loại I, cả điện tử và lỗ trống tập trung hoàn toàn trong lõi CdSe, phổ huỳnh quang xuất hiện một đỉnh phát xạ mạnh có nguồn gốc phát xạ exciton trong lõi CdSe.

4.1. Ảnh Hưởng của Nhiệt Độ Phản Ứng Đến Cấu Trúc Tinh Thể

4.2. Vai Trò Của Dung Môi Phản Ứng Trong Quá Trình Tạo Mầm

4.3. Tác Động Của Ligand Đến Quá Trình Phát Triển Tinh Thể

Các nano tinh thể CdSe/CdS có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau. Trong lĩnh vực quang điện, chúng có thể được sử dụng để chế tạo các điốt phát quang (LED) và laser với màu sắc có thể điều chỉnh. Trong lĩnh vực năng lượng mặt trời, chúng có thể tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời. Trong lĩnh vực sinh học, chúng có thể được sử dụng làm cảm biến sinh học để phát hiện các phân tử sinh học và trong hình ảnh y học để cải thiện độ tương phản và độ phân giải.

5.1. Nano Tinh Thể Trong Các Thiết Bị Phát Sáng

5.2. Ứng Dụng Trong Năng Lượng Mặt Trời

5.3. Nano Tinh Thể Trong Cảm Biến Sinh Học và Y Học

Nghiên cứu về tính chất quang của nano tinh thể CdSe/CdS dạng cầu và tetrapod đã đạt được nhiều tiến bộ đáng kể. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được làm sáng tỏ, đặc biệt là về cơ chế hình thành và phát triển của các cấu trúc nano phức tạp. Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc kiểm soát chính xác kích thước, hình dạng và thành phần của NC để tối ưu hóa tính chất quang của chúng. Ngoài ra, cần phát triển các phương pháp chế tạo mới để sản xuất NC với chi phí thấp và hiệu suất cao.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Trong Tương Lai